01 / 経典教科書推薦
経典教科書推薦
引用
Hewitt, P. G. (2017). Conceptual Physics (12th ed.). Pearson India Education Services. ISBN 978-9352861774
章概要
第1章 - 科学について
科学の本質、測定、科学的方法を紹介；科学、芸術、宗教の間の関係を探り、物理学をすべての科学の基礎として確立。
第1部：力学（第2-10章）
- ニュートンの運動法則：慣性、直線運動、力と加速度、作用と反作用。
- 運動量とエネルギー：衝撃、運動量保存、仕事エネルギー定理、効率。
- 回転運動と重力：トルク、角運動量、万有引力、潮汐、ブラックホール。
- 投射体と衛星運動：放物線軌道、軌道、ケプラーの法則、脱出速度。
第2部：物質の性質（第11-14章）
- 物質の原子的性質：原子、同位体、反物質、暗黒物質。
- 固体、液体、気体：密度、弾性、圧力、浮力、表面張力、プラズマ。
第3部：熱（第15-18章）
- 温度と熱：比熱、熱膨張、水の異常性。
- 熱伝達：伝導、対流、放射、温室効果、気候変動。
- 相変化と熱力学：蒸発、沸騰、融解、第一・第二法則、エントロピー。
第4部：音（第19-21章）
- 振動と波：振り子、波速、干渉、ドップラー効果。
- 音：音波の性質、共鳴、うなり、音の大きさ。
- 音楽の音：音程、音質、楽器、フーリエ解析。
第5部：電気と磁気（第22-25章）
- 静電気学：電荷、クーロンの法則、電場、遮蔽、電位。
- 電流：抵抗、オームの法則、回路、電力。
- 磁気：磁場、磁区、電磁石、地磁気。
- 電磁誘導：ファラデーの法則、発電機、変圧器、送電。
第6部：光（第26-31章）
- 光の性質：電磁波、透明度、反射、屈折。
- 色：加法・減法混合、散乱、虹。
- 波動性：回折、干渉、偏光、ホログラフィー。
- 発光と量子：スペクトル、白熱、蛍光、レーザー。
- 量子の側面：光電効果、波動粒子二重性、不確定性原理。
第7部：原子・核物理学（第32-34章）
- 原子構造：ボーアモデル、量子力学、ヒッグス粒子。
- 核物理学：放射能、半減期、検出器、核変換、年代測定法。
- 核分裂と核融合：原子炉、質量エネルギー等価、制御核融合。
第8部：相対性理論（第35-36章）
- 特殊相対性理論：マイケルソン・モーリー実験、仮定、時間膨張、長さ収縮、相対論的運動量、E = mc²。
- 一般相対性理論：等価原理、光の屈折、重力赤方偏移、時空曲率、重力波。
付録
測定、単位変換、運動、グラフ作成、ベクトル、指数的成長の復習材料と、奇数番号問題の答え、用語集、索引を提供。
重要概念
科学の本質
- 観察、実験、論理的推論に基づく探究方法としての科学。
- 事実、仮説、法則、理論の区別。
- 科学と芸術、哲学、日常生活の相互関係。
力学
- 動力学の基礎としてのニュートンの三運動法則。
- 運動量、エネルギー、角運動量の保存原理。
- 投射体運動、円運動、万有引力。
- 日常的文脈での力、トルク、平衡の役割。
物質の性質
- 物質の原子構造とその物理的性質への影響。
- 微視的相互作用の巨視的効果としての密度、弾性、圧力、浮力。
- プラズマや特異な形態を含む物質の状態。
熱と熱力学
- 分子運動の尺度としての温度。
- 熱伝達方法：伝導、対流、放射。
- 熱力学の法則、エントロピー、自然過程への影響。
- 気候・環境物理学の応用（温室効果、地球温暖化）。
波と音
- 波動現象の源としての振動。
- 波の性質：周波数、波長、振幅、速度。
- 重ね合わせ、干渉、共鳴、ドップラー効果。
- 音と音楽的音調の特徴。
電磁気学
- 電荷、電場、電位。
- 電流、抵抗、回路、エネルギー伝達。
- 磁場、力、誘導。
- 電気と磁気の電磁気学への統合。
光と光学
- 光の波動粒子二重性。
- 反射、屈折、回折、偏光。
- 色知覚とスペクトル分析。
- 光電効果と不確定性原理を含む光の量子的性質。
原子・核物理学
- 原子と素粒子の量子モデル。
- 放射能、半減期、核反応。
- 質量エネルギー等価とその核分裂・核融合への応用。
相対性理論
- 特殊相対性理論：光速不変、時間膨張、長さ収縮、E = mc²。
- 一般相対性理論：時空曲率、等価原理、重力波。
批判的分析
教科書の長所
- 理解しやすさ：平易な言語、類推、現実的例を用いて、物理学を非専攻学生にとって理解しやすくしている。
- 概念の強調：数学より理解を優先し、学生が方程式を学ぶ前に基本思想を把握することを保証。
- 視覚的教育法：豊富なイラスト、漫画、図表が直感的学習を支援。
- 主題の広さ：力学から相対性理論まで、単一巻で物理学の幅広い概観を提供。
限界と課題
- 数学的深度の制限：最小限の代数、微積分はほぼ皆無；高度・工学物理への準備として不十分。
- 表面的扱い：量子力学や相対性理論などの複雑な主題が簡略化され、重要な微妙さを省略する可能性。
- 米国中心の例：一部の類推や文脈が国際的読者にあまり関連性を感じられない可能性。
カリキュラムでの位置
- 入門レベル：高校生や大学の非理科専攻学生、または微積分基礎物理学の予備教材として最適。
- 一般教育：科学リテラシー育成のため「詩人のための物理学」や文系カリキュラムで一般的に使用。
- 橋渡し役割：代数基礎や微積分基礎物理コースへの後の移行を支援する概念的基礎を提供。
全体的評価
Hewittの『概念物理学』は物理教育の先駆的教科書で、非専門家への学科の教え方を形作った。方程式より思想に焦点を当てることで物理学を民主化し、学科への直感と感謝を育成。高度な学習を追求する学生の唯一の教科書として不適切だが、入門点として、科学リテラシー構築の手段として優れている。
現実世界の応用と例
日常の力学
- ニュートンの法則と運動量保存を使ってシートベルトとエアバッグが命を救う理由を説明。
- スポーツ（バスケットボールの弧、サッカーキック）と宇宙打ち上げを通じて投射体運動を説明。
- 自転車、遊具、遊園地の乗り物に回転力学を適用。
物質の性質
- 密度と浮力原理を船舶設計、潜水艦、熱気球に適用。
- 弾性と材料強度の概念を建設と耐震工学に関連付け。
- プラズマ物理学をネオンライトと核融合研究に関連付け。
熱とエネルギー
- 断熱、料理、冷蔵などの家庭現象を熱力学で説明。
- 熱伝達、温室効果、エントロピー考慮を通じて気候科学の枠組みを構築。
- 効率とエネルギー保存をエンジン、家電、持続可能技術に関連付け。
波、音、音楽
- コンサートホール音響学、ヘッドホンノイズキャンセレーション、楽器調律を説明。
- レーダー、医療画像、天文学でのドップラー効果を実証。
電磁気学
- 電磁誘導を通じて発電と送電を説明。
- スマートフォン、クレジットカード、MRI機器などの日常技術が電磁気学に根ざしていることを示す。
- 回路、ヒューズ、接地の家庭安全。
光と現代物理学
- 眼鏡、カメラ、光ファイバー、望遠鏡への光学応用。
- 芸術、ディスプレイ、大気光学（虹、夕日）での色知覚。
- 太陽電池、LED、レーザーに関連する量子現象。
原子、核、相対性理論
- 医療画像、放射線療法、核エネルギーの背後にある核物理学。
- 発電所とITERなどの研究施設での核分裂と核融合。
- GPS衛星、宇宙論、重力波検出への相対性理論の応用。